基于单片机和FPGA的LED显示屏设计

0引言

LED显示屏凭借其清晰度和色彩还原度高、视角广、运行稳定性强、使用寿命长、能耗低等显著优势^[1—3],已成为显示技术领域公认的下一代核心发展方向^[4—5]。该技术通过模块化设计实现了从室内到室外的多场景应用覆盖,在演唱会舞台视觉呈现、商业综合体数字广告、体育赛事实时播报、展览馆交互式信息展示等场景中,为动态影像、图形化界面及多媒体内容的可视化传播提供了可靠载体^[6—7]。本文设计了一种结合单片机和FPGA控制器的LED显示屏控制方案,实现了具有高刷新率的三基色LED显示控制系统。

1 LED显示屏系统结构

本设计主要由单片机主控制板和含FPGA控制板的8块LED显示板两部分构成,如图1所示。单片机主控制板主要通过外部PC的R5232通信总线进行程序下载,同时向LED显示板发出控制和数据信号。显示板通过接收数据进行处理和变换,控制矩阵LED 点阵的显示。图1中有1~8号八个LED显示板,每个板子都包含rst、clk、fp、bank、data五个信号。其中,rst是复位信号,用于初始化重置显示板;clk是时钟信号,用于同步数据传输;fp是帧脉冲,用于指示一帧数据的开始;bank用于面切换,用于指示面显示信号;data是串行数据,包含要显示的数据信息。这些信号都是控制LED显示的关键。首先,信号是从单片机主控制板发出的,最先到1号板,然后依次传递到2号、3号直到8号板,每个后续的板子都接收前一个板子的信号。然后,每个LED显示板上的FPGA会处理这些串行信号,转换成16位并行数据,再发送给LED点阵模块显示。

2 单片机控制系统设计

2.1 单片机控制系统

本系统单片机控制的主要功能是进行程序设计,实现数据的采集、处理与发送,以此来控制LED 灯的亮灭,从而实现各种数字、图像、符号和文字的动静态显示。图2为单片机控制系统框图,包含了2个外部模块和6个内部模块,外部模块包含:PC计算机模块和LED显示屏模块。PC计算机用于编程、调试和下载程序;LED显示屏用于接收和解析单片机发出的控制和数据信号,并进行显示。内部模块包含:接收处理、计时器中断操作、初始化、EEPROM、命令缓冲区和命令解析处理6个模块。接收处理模块用于接收计算机进来的程序,计时器中断模块用于计时器中断操作产生NAK信号,初始化模块用于初始化单片机内部存储器的初始数据,EEPROM模块用于存储单片机程序,命令缓冲区模块用于缓存LED显示屏的数据和指令,命令解析处理模块用于解析LED 显示屏的显示命令,如静态显示、闪烁显示、左右滚动显示和上下滚动显示等。单片机的控制模块经过算法处理生成LED点阵所需的控制和数据信号,并在系统里产生有行同步和面同步信号,具有同步纠错功能。如果数据时钟受到干扰出现错误,系统会在下一行或下一面恢复同步,保证了系统的可靠性和稳定性。

2.2 单片机控制板的测试

单片机控制板产生的LED点阵控制和数据信号,如图2所示,包含复位信号(rst)、晶振时钟信号(sclk)、数据时钟信号(clk)、帧脉冲信号(fp)、面切换信号(bank)、串行数据信号(data),其仿真波形如图3所示。sclk为石英晶振时钟,N个晶振时钟产成一个数据时钟clk,一个数据时钟发送一位数据。fp为帧脉冲信号,128个clk完成一帧,每完成一帧产生一个fp的高电平。32帧之后形成一个面数据,触发bank面信号,进行面切换。所以,1面数据=128(位)×32(行)=4 096位。32行数据包含16行红色和16行绿色的数据,一行红色和一行绿色的发光二极管合成一行双基色橙色的发光二极管。由图3可见,测试结果满足设计要求。

3 LED显示板的设计

本设计中的LED显示屏由8块组成,每块为16×16点阵,每个像素由红绿两个发光二极管组成,所以每块的实际数据为16 × 16×2位,块与块之间的信号以串行方式连接。每块显示屏的主要器件是FLEX10K系列中FPGA芯片FLEX10KTC144。FLEX10— KTC144允许用户设置RAM,RAM设置为64字,每字16位,可以存放两面数据,一面用于读,一面用于写。读写出现冲突时采用写优先原则。芯片应用程序编程,从而具有存储、判断、变换、传输数据的功能,实现了在LED显示屏上显示数字、大小写字母、汉字、图像等数据。

3.1 LED显示板硬件电路

图4为本系统LED显示板硬件电路图。系统选用Altera公司EPF10K10TC144-4型FPGA作为核心控制单元,该芯片配合EPC2LC20非易失性存储器实现程序存储功能。系统包含8组级联式双基色显示单元,每组显示单元由以下核心模块构成:在信号处理架构方面,前端采用两片74HC244高速缓冲器(U1、U2)实现信号调理功能,主控FPGA(U3)负责执行串并转换与显示控制算法。驱动电路采用UMB3NTN和2SD2153T100型达林顿管驱动LED点阵显示。显示模块采用HBK-2569MDO10型双基色模,通过U5、U6两个16×8点阵单元组合形成16×16显示矩阵。每个像素点集成红绿双色LED管芯,通过独立控制实现绿色、红色单色显示,或通过混色叠加生成橙色。系统采用分布式级联架构,8组显示单元通过四线制总线(时钟、帧同步、面切换、数据及复位信号)进行串联通信。信号流经单片机主控板后,依次经过1#~8#显示单元形成级联电路。

各单元内部处理机制包含:FPGA实时接收串行数据并写入缓存,经时序解析后并行输出16位红色、绿色数据总线(R[1-16])、G[1-6])及16路共阴/阳选通信号(C[1-16]),最终实现动态扫描显示。该设计方案通过FPGA的可重构特性实现了显示时序的灵活配置,分布式架构确保了大规模点阵系统的扩展能力,多级驱动方案有效满足了LED阵列的电流承载需求。各显示单元采用统一硬件设计,通过地址译码实现差异化数据显示,显著提升了系统稳定性和维护便利性。

3.2 LED显示板内部逻辑控制设计

图5为LED显示板内部逻辑控制框图,该系统按功能包含以下几个模块:输入接口部、存储器写入控制部、动态控制部。输入接口部的作用是获取来自单片机的数据时钟信号、帧信号和面信号,并将数据由串行变换成并行。存储器写入控制部通过来自输入接口部的时间信号,控制向存储器的数据写入。动态控制部读取来自存储器写入控制部的数据,经过处理生成三个16路的LED点阵控制信号,红色数据信号reddata[15:0],绿色数据信号greendata[15:0],公共选通信号com-drv[15:0]。以上48路信号用于驱动 LED点阵动态显示。

图6为LED显示板输入输出波形图。rst为复位信号;sclk为石英晶振产生的时钟信号;clk—b为数据时钟信号;fp—b为帧信号;bank—b为面信号;red—data为红色的数据信号,green—data为绿色的数据信号,当红色和绿色的信号同时加在发光二极管上时,管子呈现橙色;com—drv为二极管的公共选通信号,用于从第1行、第2行直到第16行依次动态点亮16行的发光二极管。由图可见,数据由输入的串行信号变换成了16位的并行数据信号 ,com—drv动态扫面信号位0001、0002、0004、0008等,能够依次扫描二极管,因此经过FPGA变换后,输出信号正确。

4LED显示屏的实验测试

图7展示了LED显示屏的试验装置与测试结果。测试设备由LED矩阵屏和单片机控制板组成。测试结果表明,该显示模块能够稳定地呈现光效,完整实现了LED显示屏的矩阵显示功能。

在实际应用层面,屏幕可根据需求切换静态/动态显示模式,兼容数字、文字、特殊符号及图像内容输出。动态模式下更具备多向滚动功能,包含闪烁、上翻、下移、左移、右移等多样化呈现方式,充分展现了显示系统的智能操控性与场景适应能力。

5 结束语

本设计基于单片机和FPGA的协同工作,实现了 LED动态图文系统。其中单片机控制模块负责生成控制信号和显示数据信号,通过算法控制实现高精度的信号输出,确保显示效果的稳定性,支持亮度自动调整和画面切换功能。FPGA可编程逻辑器件负责显示信号的处理,具有灵活、高效和可重构等优点。 FPGA内部搭建逻辑功能模块,进行信号收集、存储,并将串行信号转换为并行信号输出给LED点阵,支持文字、数字、符号、图片等信息的多种显示方式,如静态显示、上下左右移动动态显示。系统具备高精度控制、强稳定性、低成本等优点。通过单片机的控制算法和FPGA的逻辑处理,系统能灵活变换显示内容和方式,满足多种应用场景的需求,可用于商场、车站、广场等公共场所的广告牌,支持动态图文显示,吸引观众注意力,尤其是在广告、信息发布、工业控制、教育培训等领域具有较大的市场需求。同时,该系统在成本、性能和灵活性方面的优势将助力其在市场中占据一席之地。

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《机电信息》2025年第13期第6篇